新建暗挖地铁区间密贴下穿既有地铁车站技术分析

陈菊

摘要：本文选取沈阳市某新建地铁区间隧道密贴下穿既有地铁车站作为研究对象，对比分析出下穿既有站施工宜采用密贴法施工，并利用有限元软件建立三维模型，对施工引起的既有站结构变形、应力变化、轨道变形、地面变形进行计算分析，并分析各施工工况对既有车站变形的影响，最终根据模拟计算结果给出设计、施工相关建议。

关键词：暗挖地铁区间；密贴下穿；既有地铁车站；三维有限元；技术分析。

0引言

随着城市轨道交通的迅速发展，各城市地铁线路逐步增多，形成网络式交错分布，新建线路需要下穿既有地铁车站、区间的情况越来越普遍。由于既有运营线路对新建工程施工过程中的沉降等变形非常敏感，控制难度非常高。因此下穿工程施工是该段工程中的关键点和重大风险，那么利用三维有限元计算软件对施工过程中各工况和工序进行模拟分析，找出变形发展规律对控制施工过程中的沉降变形有着重要的意义。

本文选取沈阳市某地铁区间密贴下穿既有车站案例进行模拟分析，对下穿施工引起的车站、轨道、地面变形进行模拟分析。

1工程概况

既有站为双层双柱三跨矩形断面，车站长163.8m，标准段宽20.5m，两端盾构段宽24.5m，车站顶部覆土2.9m，既有车站及新建隧道位于砾砂和圆砾层。新建地铁区间隧道采用单洞单线矩形断面密贴既有站底板进行施工，车站区间相对位置关系如图1、图2所示。

图2区间下穿车站剖面图

2施工方案的选取及确定

地铁区间的施工方法主要分为盾构法和矿山法，针对下穿既有站的情况盾构法所能选择的辅助措施很有限，主要通过控制掘进参数来控制，或者通过施做新的通道结构对既有站周边土层加固，但这会导致大幅增加造价，因此在条件允许情况下一般不选择盾构法施工下穿工程。

相较与盾构法施工矿山法施工更为灵活，辅助措施选择性大，因此下穿工程多采用矿山法施工。矿山法施工下穿工程分为密贴下穿和在新建结构与既有结构中间预留一定间距土体两种方式。针对本工程预留土层的做法主要存在以下几个问题：

1）本工程下穿区间完成下穿后立刻接入新建车站，新建站需要和既有站进行“T”形换乘。而新、旧车站净距约2m~6m，因此新、旧车站站厅需处于同一标高，如果下穿区间和既有站预留一定的土层势必导致新建车站的层高加大，底板埋深加深，车站造价增加的同时也多出了大量无用空间，造成不必要的浪费，同时层高的增加也一定程度增加了后期的运营成本。

2）预留土层的做法一旦出现既有站变形超标的情况则只能被动的调整施工方案以达到控制后续的变形的目的，而对于已经引起的变形没有有效的控制措施。

因此保留土层的做法仍存在一定的缺陷，而密贴底板的做法再对周边土体注浆加固的同事还可在临时钢架内预埋千斤顶对既有站变形进行主动控制，确保既有站变形不超标，目前采用密贴方式通过注浆结合支顶措施以控制沉降的方法在地铁的建设中得到广泛地应用。

综合考虑工程造价及施工风险，本工程采用新建隧道密贴既有站底板施工的方式进行下穿。

图3施工工序

隧道采用CRD法进行开挖，先开挖一条隧道施做二衬，再开挖另一条隧道施做二衬。施工顺序如图3所示。

根据施工工序将施工过程分为以下工况以进行分析

3分析模型

利用有限元软件建立三维有限元模型，模拟既有车站、区间的空间位置关系，分析各个施工工况。模型顶面为自由面，其余面均采用法向约束，土体采用修正摩尔库伦本构，通过提高土体的模量、粘聚力模拟注浆加固体。

图7既有站底板最终竖向变形

从图7可以看出车站的底板的变形明显集中于下穿段处，两条新建隧道中间以及两侧既有站底板竖向沉降变形相对较小。结合图6可知，既有站的变形从下到上变形越来越小；既有站底板的变形更为集中，主要出现在两条隧道的上方，而顶板变形较为分散，整个下穿区域顶板结构竖向变形较为一致，在施工过程中车站的梁、柱体系将车站底板的变形传递到顶板并在一定程度上将底板的变形进行重新分布导致车站顶板和底板的变形呈现不同的特点，因此在整个施工过程中梁、柱节点处极有可能出现应力的变化，根据计算，下穿区域内底板的应力分布如图8所示：

从图8中可以看出，下穿段两侧梁、柱节点应力明显高于其余部分梁、柱节点应力，并且越接近下穿段应力值越高。因此周边条件允许情况下，下穿段应优先考虑远离梁、柱节点，从两柱中间进行下穿。

图10轨道最终竖向变形

从图10可以看出，轨道变形较为明显（大于0.5mm）的区段长度约为93m，最大变形出现在下穿段处（3.58mm），如图11所示，即93m范围内轨道竖向变化了3mm，能满足相关养护规程要求。

图11下穿段轨道竖向变形

4.3施工工况对变形的影响

施工过程中不同施工工况对既有站变形影响程度不同，通过对各施工工况下车站变形进行分析可以找出整个施工过程中最危险的工况，对设计及施工提供一定的建议。

由于车站底板变形最明显，因此选取车站底板变形分析车站各工况变形，以两条新建隧道中间位置为坐标原点，提取各工况下既有站底板变形如图12所示。分析图12可知，整个施工过程中车站底板竖向沉降变形一直增加，不同的施工工况引起的变形量有较为明显的区别；一条隧道施工时对其上方既有站底板变形影响最明显，同时对另一条隧道上方底板有一定程度的影响，最终底板变形由这两部分变形共同构成。综合分析各施工工况引起左、右线上方既有站底板变形得到图13、图14。

图14右线上方既有站底板变形

分析图13，左线上方既有站底板最终变形79%来源于施做二衬结构，21%来源于开挖土体。左线施工引起的变形占总变形的75%，右线施工引起的左线上方底板竖向沉降占变形总变形的25%。左线上方既有站底板从开挖开始到施工结束一直表现为沉降变形。

分析图14，右线上方既有站底板最终变形82%来源于施做二衬结构，18%来源于开挖土体。左线施工引起的变形占总变形的33%，右线施工引起的左线上方底板竖向沉降变形总变形的67%。不同于先开挖的左线隧道，右线隧道在左线隧道开挖过程中表现为轻微的隆起变形（隆起值小于0.5mm）。

因此，车站结构的变形主要由开挖和施工永久结构两部分构成。采用了CRD法开挖有效减小了单次开挖面积，既有站总体变形相对较小；永久结构（二衬）施做过程中需要拆除临时仰拱及临时中隔壁以完成结构受力从临时结构向永久结构的转换，在永久结构尚未封闭成环前，部分临时结构（临时中隔壁和临时仰拱）拆除的工况是引起既有站变形的主要原因，因此，施工中需要严格控制单次拆撑范围以控制变形。

同时，单条隧道施工对邻近隧道施工也存在影响，因此施工时尽量避免两条隧道同时施工以减小两条隧道的交叉影响。

5风险控制措施

通过前述分析可知密贴下穿既有站施工不仅对结构变形存在影响，更重要的是影响既有交通，因此，在设计施工中除了严格遵循暗挖法的基本原则外，需要下穿风险进行更加严格的控制。

1）施工期间对既有站结构、轨道、道床以及地面进行监控量测，特别是既有站建议采用自动化监测及时反馈车站、轨道、道床的变形情况。

2）双线下穿既有站应当进行先后施工，待一条隧道永久结构成环完成受力后再进行另一条隧道的施工以减少两条隧道施工的相互影响。

3）合理采用施工方法，减小单次开挖面积，施工中控制单次开挖长度，及时架设初期支护并及早封闭成环。

4）施做永久结构时需严格控制单次拆除临时支撑范围，以减小受力转换所带来的风险。

5）下穿工程施工时，可能引起既有线道床开裂、破碎等病害，因此施工期间应加强对道床的监控量测，必要时进行注浆加固。

6结论及建议

本文通过对沈阳某地铁区间隧道密贴下穿既有站实际工程的模拟分析得出如下结论：

1）密贴下穿既有站施工过程中，车站主要呈现出竖向的沉降变形，并且底板变形大于顶板变形，低板变形相对集中，顶板变形相对分散。

2）下穿隧道两侧的梁、柱节点处应力增加，因此建议在设计时尽量避免直接下穿梁、柱节点。

3）车站变形引起地面和轨道变形，其中轨道变形更加明显，轨道变形和既有站底板变形特点基本一致。

4）既有站的变形主要由开挖和施做永久结构两部分构成，其中施做永久结构是引起变形的主要原因。因此建议设计施工中尽量减小单次开挖面积，减小单次拆撑范围。

5）两条隧道施工存在相互影响，因此建议两线先后进行施工，减小相互影响。

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